北大团队实现AI芯片领域重要突破 铁电晶体管仅1纳米、功耗最低！

来源：高校人工智能与大数据创新联盟

据北京大学电子学院官方消息，北京大学在非易失性存储器领域取得突破性进展。电子学院邱晨光-彭练矛团队成功将铁电晶体管物理栅长缩减至1纳米极限，创造性地制备了迄今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管，有望为AI芯片算力和能效提升提供核心器件支撑。相关研究成果在线发表于《科学·进展》上。

以下为文章原文：

电子学院邱晨光-彭练矛团队研制出国际上最低功耗铁电晶体管

北京大学在非易失性存储器领域取得突破性进展。电子学院邱晨光-彭练矛团队首次提出“纳米栅超低功耗铁电晶体管”。团队通过精巧设计铁电存储的器件结构，引入纳米栅极电场汇聚增强效应，研制出可在0.6V超低电压下工作的铁电晶体管，能耗降低至0.45 fJ/μm，并且将物理栅长缩减到1纳米极限，为国际上迄今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管，为构建高性能亚1纳米节点芯片和高算力AI芯片架构提供了更具潜力的新物理机制存储器件。该突破性成果以“Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V ”为题，在线发表于Science子刊《科学·进展》(Science Advances)。

文章截图

逻辑器件和存储器件是构建集成电路的两大底层元器件。逻辑单元构成芯片的“运算与控制中枢”，存储单元构成芯片的“数据仓库”，两者占集成电路市场规模的70%以上。在摩尔定律的驱动下，逻辑晶体管通过制程微缩和架构迭代，性能不断提升，当前业界已实现2纳米节点逻辑芯片量产，并且CMOS晶体管在0.7V的低电压下工作。然而相比之下，非易失性存储器几十年来性能发展相对滞后，主流的非易失性Flash存储技术难以微缩到先进节点；最为关键的是，Flash存储需要在5V以上高电压下完成数据擦写。因此，现有芯片必须在逻辑单元和非易失存储之间集成升降压电路以完成工作电压转换，这带来了额外面积开销、能耗增加等一系列问题。更为重要的是，现代AI芯片架构的核心在于数据流优化，逻辑和存储之间的电压不匹配直接导致数据交互不畅通，严重拖累了AI芯片算力，并大幅增加了能耗。

逻辑与存储芯片的电压演进与业界兼容的纳米栅铁电存储结构展望

铁电晶体管利用铁电材料的极化翻转实现数据存储，是后摩尔芯片技术中极具潜力的半导体存储器，受到学术界和业界广泛关注。凭借极化双稳态存储机制和三端晶体管结构，有望构建非易失性存算一体架构，实现存储与高速计算的完美结合，是破解“存储墙”和实现人工智能底层架构革新的关键新技术。然而迄今为止，受限于平板铁电体矫顽电压的物理限制，传统铁电晶体管仍需用1.5V以上电压实现铁电极化翻转和数据擦写。尽管优于Flash，但常规铁电晶体管理论上无法降低电压到0.7V以下，即无法匹配到逻辑电压水平。如何实现亚0.7V的超低电压存储技术，是突破存储墙瓶颈和提升AI芯片算力的关键。

纳米栅铁电晶体管的超低电压电学表征

在本工作中，邱晨光-彭练矛团队首次提出“纳米栅铁电晶体管结构”和“纳米栅极电场增强机理”。通过优化器件结构，巧妙地将栅电极尺寸缩小到纳米极限尺度。利用纳米栅的尖端电场汇聚效应，在铁电层中构建了高度局域化的强电场汇聚区，有效地放大了局部电场强度，大幅降低铁电极化翻转电压，超越了常规平板铁电体的矫顽电压极限，打破了“低电压与高矫顽电场不可兼得”的固有认知，实现了0.6V超低工作电压，将铁电存储电压降低到和逻辑电压相当水平。研制的铁电晶体管能耗水平低至0.45 fJ/μm，领先国际已有报道一个数量级，存储速度接近1纳秒。该研究在国际上首次发现铁电晶体管具有反常的尺寸微缩优势，即物理栅长微缩到极限1纳米时显著汇聚并增强了电场，极小栅极尺寸有效改善了铁电存储特性，充分表明铁电存储器在构建未来亚纳米节点芯片具有显著优势。

纳米栅铁电晶体管的超低功耗机理分析

北京大学无线电电子学系创立于1958年，1996年更名为“北京大学电子学系”，2002年9月起为北京大学信息科学技术学院下设的教学单位，2021年11月12日正式成立“电子学院”。现有教职员工118人，其中教学科研人员102人，包括教授/研究员60人，副教授/副研究员35人，讲师/助理研究员7人；中国科学院院士1人，长江学者奖励计划特聘教授6人，国家杰出青年科学基金获得者10人，国家优秀青年科学基金获得者11人，万人计划青年拔尖人才支持计划入选者5人，国家级青年项目入选者18人，IEEE Fellow2人，973计划/国家重大科学研究计划/重点研发计划首席科学家12人，“百千万人才工程”国家级3人，北京市高等学校教学名师奖获得者1人。现任院长中国科学院院士彭练矛。(来源：北京大学)

全国高校人工智能与大数据创新联盟

全国高校人工智能与大数据创新联盟（简称:高校联盟）是由清华大学、浙江大学、中南大学、东北大学、上海工程技术大学、重庆邮电大学、东北林业大学、佛山科学技术学院、曲阜师范大学、黑龙江大学、海豚大数据科技等全国54家高校、企业共同发起，于2018年5月26日在北京中国科技会堂正式成立。迄今为止，联盟发展会员300多家, 覆盖全国20多个省市。联盟由一批积极投身于“人工智能、大数据、区块链”教育事业的高校、科研机构、企事业单位和个人自愿组成的公益性、全国性学术交流服务平台。中国工程院原常务副院长、中国工程院院士潘云鹤、中国科学院院士陈国良、中国工程院院士李伯虎担任联盟名誉理事长，中国工程院院士谭建荣担任联盟理事长。联盟工作接受工信部、国家网信办等政府部门行政管理和业务指导。联盟主要工作是推进产教融合、校企合作、协同育人。(加盟微信13651193492)

华算人工智能研究院

华算人工智能研究院全称是“山西省华算人工智能研究院有限公司”，是经山西转型综合改革示范区管理委员会批准，于2023年10月在太原成立的第一批专业研究人工智能、赋能数字经济产业发展的独立法人组织。华算人工智能研究院依托全国高校人工智能与大数据创新联盟专家委员会及理事会资源，按照山西省委省政府、山西转型综合改革示范区管理委员会发展人工智能、数字经济的系列文件精神和工作计划，将研究院打造成为山西省发展人工智能、数字经济的示范应用推广平台，同时面向全国开展人工智能业务。华算人工智能研究院名誉院长由中国工程院院士李伯虎担任。研究院内设AI产业学院共建中心、实训实习就业中心、实验室建设中心、专家智库等6个职能部门。欢迎加入华算人工智能研究院专家智库，共同赋能高校AI人才培养及产教融合事业发展。

高校区块链专委会

全国高校人工智能与大数据创新联盟区块链专委会（简称:高校区块链专委会），是由北京大学、浙江大学、武汉大学、西南财经大学、北京交通大学、郑州大学、贵州大学、桂林电子科技大学、山西农业大学、佛山科学技术学院、陕西师范大学、中国网安、海豚大数据科技等全国40多家高校、企业和机构共同发起，于2019年12月7日在广东省佛山市正式成立。目前发展高校及企业会员70多家。中国工程院院士、浙江大学教授陈纯担任高校区块链专委会名誉顾问；福州大学教授蔡维德、中国计算机学会区块链专委会主任斯雪明教授、中国人民银行数字货币研究所副所长狄刚担任高校区块链专委会名誉主任；北京大学信息科学技术学院区块链中心主任陈钟教授担任高校区块链专委会主任。高校区块链专委会主要工作是促进高校区块链教育，为高校区块链专业建设及学科发展提供专家咨询服务。

高校元宇宙专委会

全国高校人工智能与大数据创新联盟元宇宙专业委员会（简称:高校元宇宙专委会），是由清华大学、湖南大学、浙江大学、四川大学、汕头大学、河北金融学院、保定市元宇宙协会、英伟达中国、海尔衣联网研究院、海豚大数据科技(天津)有限公司等全国20多所高校、企业和机构共同发起，于2022年11月5日在北京正式成立。中国工程院院士、计算机软件与虚拟现实领域专家赵沁平担任高校元宇宙专委会名誉顾问；中国工程院院士、北京航空航天大学电气与自动化学院名誉院长、中国航天科工集团有限公司科技委高级顾问李伯虎担任高校元宇宙专委会名誉主任；清华大学信息国研中心可信软件和大数据部常务副主任邢春晓担任高校元宇宙专委会主任委员。目前已发展高校及企业会员30多家。高校元宇宙专委会主要工作是促进高校元宇宙教育、加强校企合作、推动元宇宙专业建设及学科发展，为元宇宙教育教学提供专家咨询服务。

高校数字经济专委会

全国高校人工智能与大数据创新联盟数字经济专业委员会（简称:高校数字经济专委会），是由华算人工智能研究院、清华大学、北京大学、中国人民大学、中国社会科学院信息化研究中心、四川大学、北京外国语大学、北京科技大学、北京工业大学、北京语言大学、北京化工大学、北京联合大学、北京物资学院、北京印刷学院、西藏民族大学、河北金融学院、重庆财经学院、苏州城市学院、北京中关村软件园、百度、海豚大数据科技等全国60多家高校、企业和机构共同发起，于2024年1月12日在北京正式成立。清华大学经济管理学院教授姜旭平、北京大学信息管理系教授赖茂生、中国社会科学院信息化研究中心主任姜奇平、中国科学院大学经济与管理学院教授吕本富担任高校数字经济专委会主任委员。高校数字经济专委会主要工作是促进高校数字经济专业建设及学科发展，推动产学研合作，为高校数字经济专业教育教学提供专家咨询服务。

联盟“资料图书馆”

微信咨询

说明：转载文章和图片均来自公开网络，推送文章除非无法确认，都会注明作者和来源，如有侵权请联系删除。

往期精彩文章（单击就可查看）：

. 办

. 》